► Μόνο ο άνθρακας αντιπροσωπεύει το 45% του ξηρού βάρους οποιουδήποτε υλικού.

► Μόνο το οξυγόνο έχει ένα ποσοστό ίσο με 45%.

► Το υδρογόνο στο 6%,

...Συμπληρώνοντας τα τρία κορυφαία στοιχεία που απαιτούνται για να επιβιώσουν τα φυτά.

Ο άνθρακας είναι ένα θρεπτικό συστατικό, όπως ακριβώς και το άζωτο, αλλά δεδομένου ότι προέρχεται από τον αέρα, συχνά παραβλέπεται.

Ο άνθρακας υφίσταται σε μια βολική για τα φυτά αέρια μορφή, σε αυτή του διοξειδίου του άνθρακα (CO₂).

Τα φυτά έχουν καταστεί εξαιρετικοί αφομοιωτές άνθρακα και χρησιμοποιούν παρόμοια - αλλά όχι ταυτόσημα - συστήματα για να εξασφαλίσουν ότι θα συλλέξουν αρκετό CO₂ για να αναπτυχθούν και να ωριμάσουν.

Όλα αυτά για να αποκτήσουν τα απλά δομικά στοιχεία που χρειάζονται για να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν.

Οποιαδήποτε συζήτηση γύρω από το διοξείδιο του άνθρακα πρέπει να ξεκινήσει με την κατανόηση των υδατανθράκων: τι είναι και πώς σχηματίζονται.

Το παραγόμενο προϊόν

Οι υδατάνθρακες είναι τα βασικά δομικά στοιχεία όλων των πραγμάτων που ταξινομούνται ως ζωή. Ορισμένες μορφές ζωής παράγουν υδατάνθρακες, ορισμένες μορφές ζωής καταναλώνουν υδατάνθρακες.

Οι υδατάνθρακες είναι μια ομάδα οργανικών ενώσεων που περιέχουν μόνο άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο συνήθως σε αναλογία 1: 2: 1.

Περιλαμβάνουν σάκχαρα, άμυλο, κυτταρίνη και πολλά άλλα. Είναι η κύρια πηγή ενέργειας για τα ζώα και παράγονται με τη φωτοσύνθεση στα φυτά. Τα ζώα αποκτούν τον άνθρακα τους καταναλώνοντας άνθρακα ως υδατάνθρακες και πρωτεΐνες, ενώ τα φυτά παίρνουν τον άνθρακα τους με αφομοίωση του CO₂.

Υπάρχουν δύο βασικές διεργασίες που εμφανίζονται να παράγουν βασικούς υδατάνθρακες σε ένα φυτό: το πρώτο είναι αυτό που είναι γνωστό ως αντίδραση φωτός και το δεύτερο είναι η σκοτεινή αντίδραση.

Και οι δύο παραπάνω διεργασίες συμβαίνουν στους χλωροπλάστες.

Η αντίδραση του φωτός είναι, όπως υποδηλώνει το όνομα, η αντίδραση που συμβαίνει παρουσία φωτεινών φωτονίων και μετατρέπει την φωτεινή ενέργεια σε χημική ενέργεια, ΑΤΡ (5'-τριφωσφορική αδενοσίνη) και NADPH (Φωσφορική δινουκλεοτιδική αδενίνη Νικοτιναμιδίου).

Αυτά τα ενεργειακά μόρια στη συνέχεια χρησιμοποιούνται στη σκοτεινή αντίδραση (πιο κατάλληλα ονομάζεται αντίδραση άνθρακα) για να παράγουν φωσφορική τριόση, τον βασικό υδατάνθρακα.

Στην πραγματικότητα, η σκοτεινή αντίδραση απαιτεί ακόμη το φως, όχι μόνο για την παραγωγή ενέργειας, αλλά και για πολλούς άλλους ελέγχους που επηρεάζονται από το φως. Αυτή η σκοτεινή αντίδραση είναι γνωστή ως Κύκλος Calvin.

Στον κύκλο του Calvin, ένας βασικός υδατάνθρακας χρησιμοποιείται ως μόριο υποστρώματος με 5 άνθρακες για να δεσμεύσει το CO₂  με τη βοήθεια ενός ενεργοποιημένου με φως ενζύμου γνωστού ως Rubisco που προσθέτει επίσης μόρια νερού και τελικά χωρίζεται σε 3 μόρια άνθρακα τα οποία υποβάλλονται σε περισσότερες αλλαγές για να γίνουν ένας υδατάνθρακας, η φωσφορική τριόζη.

Ποιό είναι λοιπόν το πρόβλημα:

✔  Το 85% των βασικών υδατανθράκων που παράγονται επιστρέφουν στο σύστημα.

✔  Το οξυγόνο (O₂) είναι πιο ελκυστικό από το CO₂ και καταστρέφει τα μόρια και τελικά και τη διαδικασία. Αυτό είναι γνωστό ως φωτοαναπνοή.

Η διαδικασία

Ο αέρας εισέρχεται στον ιστό των φύλλων μέσω εξειδικευμένων πόρων γνωστών ως στόματα. Μόλις εισέλθει ο αέρας, τα μόρια θα διαλυθούν στο υγρό που υπάρχει γύρω από τα εσωτερικά φυτικά κύτταρα, τα κύτταρα του μεσόφυλλου και μετά μέσω των κυτταρικών μεμβρανών, κατά μήκος του κυτταροδιαλύματος και στους χλωροπλάστες.

Από τη στιγμή που το CO₂ προσεγγίζει τα στόματα, πρέπει να περάσει από αρκετές περιοχές ανθεκτικότητας, συμπεριλαμβανομένων των ορίων στο άνοιγμα των στομάτων, των εσωτερικών ορίων του αέρα, συμπεριλαμβανομένης της στοματικής κοιλότητας, και του διακυτταρικού αέρος. Αυτή η αντίσταση προκαλείται από την έλλειψη κίνησης στον αέρα, που σημαίνει ότι μόρια όπως το CO₂ πρέπει να διαχέονται αργά και από μόνα τους.

Τα μόρια του CO₂ διασκορπίζονται γρήγορα όταν υπάρχουν ρεύματα αέρα, αλλά σε αντίθετη περίπτωση, όταν υπάρχει ακινησία, τα μόρια του CO₂ θα πρέπει να κινούνται μέσω της δική τους δόνησης ή μέσω της δράσης ενός άλλου μορίου κάτι το οποίο αποτελεί μία πολύ αργή διαδικασία. Μόλις βρίσκονται σε υγρή κατάσταση, τα μόρια του CO₂ θα πρέπει στη συνέχεια να διαχέονται διαμέσου των κυττάρων μέχρι να μπορούν να ενσωματωθούν στον Κύκλο Calvin.

Το πρόβλημα παραμένει όταν υπάρχει πολύ περισσότερο οξυγόνο σε σχέση με το διοξείδιο του άνθρακα στον αέρα, έτσι το O₂ κινείται μαζί με το CO₂ αλλά σε υψηλότερη συγκέντρωση.

Μόλις τα παραπάνω αέρια γίνουν μέρος του κύκλου Calvin, θα υπάρχει περισσότερο διαθέσιμο Ο₂  σε σχέση με το CO₂, εκτός και εάν η συγκέντρωση αυξηθεί ή ο Κύκλος Calvin απομονωθεί σε περιοχές από τις οποίες μπορεί να αποκλειστεί ή να περιοριστεί το οξυγόνο.

Η διαδικασία που έχουμε περιγράψει μέχρι στιγμής είναι και η βασική ιδέα για τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε υδατάνθρακες και η ακριβής περιγραφή ενός από τους τρεις τύπους μεταβολισμού των φυτών.

Αυτός είναι γνωστός ως κύκλος C3 (επίσης γνωστός ως μεταβολισμός C-3). Είναι ο προτιμώμενος κύκλος των περισσότερων δικότυλων αλλά και ορισμένων μονοκότυλων φυτών.

Ο επόμενος κύκλος που θα περιγράψουμε είναι ο κύκλος C4, ο οποίος ονομάζεται έτσι επειδή συλλέγει το CO₂ σε ένα σάκχαρο με 4 άτομα άνθρακα στα κύτταρα του μεσόφυλλου και το μεταφέρει στους χλωροπλάστες σε κύτταρα που πρόκειται να υποστούν επεξεργασία στον Κύκλο Calvin, περιορίζοντας έτσι την ποσότητα οξυγόνου κατά την περιγραφόμενη διαδικασία. Τα C4 φυτά περιλαμβάνουν όλα τα αγγειόσπερμα φυτά και τα περισσότερα μονοκοτυλήδονα όπως ο αραβόσιτος και το ζαχαροκάλαμο.

Τα  C4 φυτά λειτουργούν καλύτερα υπό ζεστές, ξηρές συνθήκες, επειδή η διαδικασία που προκαλεί την προαναφερόμενη φωτοαναπνοή αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Και οι κύκλοι C3 και C4 απαιτούν την παρουσία φωτός. Υπάρχει μία ακόμη παραλλαγή των C4 φυτών η οποία εκτελεί μέρος του κύκλου στο φως της ημέρας ακολουθούμενη από ένα άλλο μέρος κατά τη διάρκεια της νύχτας. Αυτά είναι γνωστά ως CAM φυτά.

Το διοξείδιο του άνθρακα θα πρέπει να σχηματίσει υδατάνθρακες και για να γίνει αυτό θα πρέπει να ανοίξουν τα στόματα. Μόλις αυτά ανοίξουν, εισέρχεται το CO₂ , το νερό μπορεί να διαφύγει και έτσι ο περιορισμός του χρόνου κατά τον οποίο είναι ανοιχτά τα στόματα κατά τη διάρκεια του σκότους, είναι ένα σαφές εξελικτικό πλεονέκτημα. Υπάρχει μια άλλη σημαντική σημείωση εδώ, τα C3 φυτά λειτουργούν καλύτερα στις υψηλότερες συγκεντρώσεις CO₂ , ενώ τα C4 φυτά λειτουργούν καλύτερα σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις CO₂ επειδή αντλούν ενεργά το CO₂ κατά τη διάρκεια του κύκλου.

Το περιβάλλον

Στα φυτά στα οποία το CO₂ μετακινείται από μόνο του στον κύκλο Calvin (C3), η συγκέντρωση του CO₂ στα κύτταρα θα είναι σχεδόν ίση με την ατμοσφαιρική συγκέντρωση. Μία αύξηση της ανάπτυξης κατά 30-60% έχει τεκμηριωθεί όταν το CO₂ τροφοδοτείται στα 600 - 700 ppm σε φυτά C3. Τα C4 φυτά, από την άλλη πλευρά, δεν έχουν τέτοιο πλεονέκτημα, διότι σε αυτά τα φυτά το CO₂ δεσμεύεται ενεργά, μεταφέρεται και συμπυκνώνεται με τον ίδιο ρυθμό, ανεξάρτητα από την ατμοσφαιρική συγκέντρωσή του.

Το ιδανικό επίπεδο CO₂ για τα C4 φυτά  είναι το φυσικό επίπεδο του περιβάλλοντος. Έτσι, ορισμένα φυτά ανταποκρίνονται σε υψηλότερα επίπεδα CO₂, αλλά η φωτοσύνθεση φτάνει σε ένα μέγιστο ρυθμό (κορεσμό) σε ένα δεδομένο σημείο και η υπέρβαση είναι άσκοπη. Σε πραγματικά υψηλά επίπεδα πάνω από 3% ή 3000 ppm, ο ρυθμός μειώνεται. Το ιδανικό επίπεδο για τα C3 φυτά φαίνεται να είναι τα 600 - 700 ppm. Τίποτα περισσότερο από αυτό δεν θα είναι σε θέση να  παράγει κανένα πρόσθετο όφελος για τα φυτά, γι 'αυτό θα είναι και σπατάλη χρημάτων.

Λάβετε υπόψη ότι αυτό το επίπεδο συγκέντρωσης του CO₂ είναι αυτό που πρέπει να είναι διαθέσιμο γύρω από τα στόματα.

Στην περίπτωση που ο αέρας παραμένει ακίνητος, κάτω από ή δίπλα στα φύλλα και μέσα στην φυσική δομή του φυτού, θα έχει χαμηλότερα επίπεδα CO₂ και Ο₂ σε σχέση με την ατμόσφαιρα, επειδή το φυτό απομακρύνει αυτά τα στοιχεία. Αυτός ο αέρας θα είναι επίσης πιο υγρός, επειδή το φυτό διαπνέει για να κρυώσει και μεταφέρει θρεπτικά συστατικά από το ριζικό σύστημα. Με λίγα λόγια υπάρχει ένα μικροκλίμα ακριβώς δίπλα στα φύλλα του φυτού.

Τα χαμηλότερα επίπεδα CO₂ σημαίνουν και λιγότερα διαθέσιμα επίπεδα στα κύτταρα καθώς και επιβράδυνση της φωτοσύνθεσης. Η υψηλότερη υγρασία στον αέρα σημαίνει ότι λιγότερο νερό μπορεί να εξατμιστεί έξω από το φυτό και έτσι θα υπάρξει λιγότερη κίνηση νερού μέσα στο φυτό. Με τη δημιουργία μιας κίνησης αέρα, μπορούμε να βεβαιωθούμε ότι περισσότερα από τα απαραίτητα συστατικά έρχονται κοντά στα στόματα, ενώ τα περιττά συστατικά όπως το νερό είναι διασκορπισμένα. 

Από τη θεωρία στην πράξη

Σαφώς, ο κύκλος του CO₂ είναι μέρος άλλων συστημάτων και επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία, το φως και πολλά άλλα.

Η κίνηση του CO₂ είναι μόνο ένα μικρό μέρος του τι συμβαίνει στην πραγματικότητα.

Επιδιώξαμε να απλουστεύσουμε μια πολύ περίπλοκη διαδικασία, αλλά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας έχουμε αποκαλύψει κάποιες πολύ σημαντικές πληροφορίες.

Υπάρχουν διαφορές στους τρόπους με τους οποίους τα φυτά δεσμεύουν διοξείδιο του άνθρακα.

Όταν το CO₂ είναι περιορισμένο, το ίδιο θα είναι και η παραγωγή των υποστρωμάτων.

Το CO₂ χρησιμοποιείται μόνο κατά τη διάρκεια του κύκλου φωτός, παρόλο που μερικά φυτά μπορούν να το δεσμεύσουν κατά τη νύχτα για χρήση κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Η θερμοκρασία έχει αποδειχθεί ότι είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει τη δέσμευση του CO₂.

Ορισμένα C3 φυτά ωφελούνται από υψηλότερα επίπεδα CO₂ περιβάλλοντος, ενώ για άλλα (C4 και CAM) η προσθήκη CO₂ είναι σπατάλη πόρων.

Υπάρχουν πολλά εμπόδια που το μόριο του CO₂ πρέπει να υπερπηδήσει για να γίνει μέρος του κύκλου Calvin. Η κίνηση του αέρα σε όλα τα επίπεδα είναι κρίσιμη για την εξάλειψη του μικροκλίματος που σχετίζεται με τις επιφάνειες των φύλλων.

Πώς μεταφράζονται όλες οι παραπάνω πληροφορίες προς όφελός μας;

Οι υπαίθριες και οι θερμοκηπιακές καλλιέργειες έχουν διαφορετικές δυνατότητες. Σε εξωτερικούς χώρους,  λίγοι παράγοντες μπορούν να ελεγχθούν και οι καλλιέργειες είναι βασικά στο έλεος της μητέρας φύσης. Σε εσωτερικούς χώρους ισχύουν οι περιορισμοί της τεχνολογίας και των πόρων. Τα οφέλη από την κίνηση του αέρα ισχύουν για όλα τα φυτά, επομένως αυτό είναι το πρώτο πράγμα που πρέπει να εξετάσουμε.

Για θερμοκηπιακές καλλιέργειες, οι ανεμιστήρες είναι απαραίτητοι για την μετακίνηση του αέρα μέσα στην περιοχή καλλιέργειας καθώς και για την ανταλλαγή του παλιού αέρα για ανανεωμένο CO₂.

Για τα υπαίθρια φυτά, η αύξηση της απόστασης μεταξύ των φυτών θα βοηθήσει στον έλεγχο κάποιου μικροκλίματος. Ο εμπλουτισμός του αέρα με CO₂ σε υπό κάλυψη καλλιέργειες είναι μια επιλογή, αλλά είναι σχεδόν άχρηστη για τα C4 φυτά.

Εάν ένας καλλιεργητής έχει C3 φυτά και μπορεί να ελέγξει την ατμόσφαιρα, τότε μπορεί να προσθέσει επιπλέον CO₂.

Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι εφαρμογής του CO₂

✔ Ο πρώτος τρόπος είναι να χρησιμοποιηθεί αέριο εμφιαλωμένο CO₂ μέσω ενός συστήματος ρύθμισης και

✔ ο δεύτερος είναι ένα σύστημα καυστήρα αερίου για την παραγωγή CO₂ ως παραπροϊόν της καύσης.

Και οι δύο μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα.

Τα εμφιαλωμένα συστήματα απαιτούν πολλά μπουκάλια και συχνά ξαναγεμίσματα. Οι καυστήρες αερίου είναι λιγότερο δαπανηροί και απαιτούν λιγότερη προσπάθεια. Ωστόσο, οι καυστήρες μπορούν να παρουσιάσουν δυσλειτουργία προκαλώντας μια σειρά ζητημάτων, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλειας.

Η θερμοκρασία επηρεάζει τη φωτοσύνθεση.

Στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες, τα φυτά χρειάζονται φως για να λειτουργήσουν, αλλά ο φωτισμός αυξάνει τη θερμοκρασία. Ένας καυστήρας CO₂ προκαλεί υπερθέρμανση κάτι που γρήγορα θα αποτελέσει πρόβλημα. Η κυκλοφορία του αέρα σε μία θερμοκηπιακή  μονάδα  μέσω των ανοιγμάτων προς τα έξω και η άντληση φρέσκου αέρα θα αφαιρέσει όλο το CO₂  που έχει εφαρμοστεί. Είναι άσκοπη η εφαρμογή CO₂ κατά τη διάρκεια της νύχτας όταν οι θερμοκρασία είναι χαμηλότερη.

Τι μπορεί να γίνει;  

Λοιπόν, εξαρτάται πραγματικά από το κόστος που μπορεί κανείς να αναλάβει.

Εάν το κόστος δεν αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα:

✔ πρώτα φροντίζετε για καλή κίνηση του αέρα στην ζώνη ανάπτυξης των φυτών, χρησιμοποιήστε τον κλιματισμό στους χώρους του θερμοκηπίου και αφήστε το δωμάτιο κλειστό,

✔  ανάψτε τα φώτα (ειδικές κατασκευές που δεν προκαλούν αύξηση θερμοκρασίας),

✔  χρησιμοποιήστε εμφιαλωμένο CO₂ ή εξαερισμό όταν χρειάζεται και αντικαταστήστε το CO₂.

Οποιοδήποτε από αυτά τα μέτρα θα λειτουργήσει, αλλά ορισμένα είναι πιο ιδανικά και αποτελεσματικά για θερμότερα περιβάλλοντα.

Κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλής θερμικής καταπόνησης, η καλλιέργεια μπορεί να σωθεί σκιάζοντας ή σβήνοντας τα φώτα.

Επίσης, σε αυτήν την περίπτωση, η χρήση του CO₂ θα μειωθεί, οπότε σταματάμε και την τροφοδότησή του.

Παρακολουθήστε την υγρασία, επειδή τα φυτά μπορούν να ακολουθήσουν μια μακρά πορεία έως και την ψύξη τους όταν οι συνθήκες υγρασίας είναι σωστές για καλή μετακίνηση νερού. Ωστόσο, πρέπει να υπάρχει επαρκής ποσότητα νερού ανά πάσα στιγμή, διαφορετικά μπορεί να προκύψει βλάβη των φύλλων και βλάβη των ιστών. Πάρα πολύ νερό, ωστόσο, θα επιβραδύνει τη διαπνοή αρκετά ώστε να μειωθεί το φαινόμενο της ψύξης. Πάνω απ 'όλα, ισορροπήστε το σύστημα χρησιμοποιώντας λειτουργικά σημεία ρύθμισης και αυτοματοποιημένα χειριστήρια κατά την επεξεργασία των χρόνων εμπλουτισμού και του εξαερισμού. Ελέγχετε πάντα τον εξοπλισμό παρακολούθησης.

Συμπεράσματα

Τα φυτά σαφώς και χρειάζονται διοξείδιο του άνθρακα. Τα φυτά αποκτούν τον άνθρακα που χρειάζονται με τον έναν ή τον άλλο τρόπο. Λόγω των διαφορών, ορισμένα φυτά δουλεύουν καλά με υψηλότερες συγκεντρώσεις CO₂ περιβάλλοντος,  ενώ άλλα θα είναι αδιάφορα σε αυτήν την παράμετρο.

Η ανάπτυξη μπορεί να επηρεαστεί θετικά με τη διαχείριση του CO₂ ως «θρεπτικού συστατικού».

Είναι δυνατόν το φυτό να επωφεληθεί από την εισαγωγή πρόσθετου CO₂, αλλά πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη όλοι οι άλλοι παράγοντες για την ανάπτυξη - όπως η θερμοκρασία και η υγρασία.

Για ακόμη μία φορά, απόλυτες θεωρήσεις δεν υπάρχουν σχεδόν ποτέ. Το CO₂ είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται συχνά αρνητικά όταν μιλάμε για τις υπερβολές της καταναλωτικής μας κοινωνίας. Είναι ένα αόρατο αέριο που μπορεί να προκαλέσει μεγάλη βλάβη στο περιβάλλον.

Ωστόσο, σε μικρές δόσεις και την κατάλληλη στιγμή, το CO₂ δεν είναι τόσο κακό…